给水管网计算机应用与国产化软件发展方向

同济大学环境科学与工程学院
刘遂庆 李 强 王雪峰

　　给水管网优化设计计算、水力与水质模拟、管网优化调度、信息化和智能化运行管理及信息网络构成了当前给水管网新理论与新技术研究和发展领域，以信息技术和智能化、自动化控制为目标，运用PLC、SCADA和GIS技术，构成了完整的节约能量、节省人工、减少漏损、保护水质等现代科技管理系统，形成了给水管网运行管理和优化调度领域高新技术产业方向。应用计算机技术提高给水系统管理和运行的水平越来越受到国内给水企业的普遍重视。开发适合我国供水企业实际需求、拥有国内独立知识产权的专业应用软件，是我国科技工作者的重要职责。

一、我国给水企业发展历程

　　我国给水企业的发展已经经历了下列几个阶段：
　　1） 解放后初期的50年代，新中国的经济发展带动了大中城市的给水企业发展。新建了大量给水处理和输配水设施。但技术比较落后，运行管理自动化，信息化程度很低；
　　2）60－70年代，国内经济发展缓慢，甚至停滞不前，人口增长激剧。给水企业处于维持和低速发展阶段，供水量基本上与生活用水量增长同步，技术进步无显著特征；
　　3）80年代，改革开放，经济发展迅速，水源受到污染，给水设施严重滞后，出现愈来愈普遍的供水量不足，水质变差的问题。全国城市平均供水能力与需求水量的比例仅为80％左右，许多城市自来水异味明显，夏季水压低，甚至大片断水，新建或扩建供水设施成为解决“水量”问题的“当务之急”；
　　4）90年代（1990－2000），各级政府加大城市基础设施建设，供水量的问题得到了解决，全国平均供水能力与需求的比例达到了110－120％，采用了不少先进水处理技术，开辟新水源，水质逐步得到改善，但给水企业亏损严重。随着现代化经营观念不断得到提高，质量管理、经济效益和技术进步的综合水平成为给水企业的经营和发展方向。应用计算机技术进行给水系统信息化管理和优化自动化控制成为企业技术进步的共同目标。
　　随着全球知识经济的飞速发展，加快技术进步和提高经济效益才能促进企业发展，在给水企业建设、管理和运营中运用计算机技术，以高科技手段提高供水企业总体水平，已成为全球同行业的共同发展方向。计算机应用软件成为全球最兴旺的高科技产业。

二、给水系统软件类型与功能要求

　　1．给水管理信息系统软件
　　给水管理信息系统软件是收集、积累、综合分析给水系统中从水源、水处理过程、输配水网络到用户的各阶段的全方面信息数据，以数据库为核心，以分类数据表格、数据表达和灵活的查询、提示和警告等形式向决策、管理和运行操作人员提供全面数据，集档案、图纸和报表为一体，实现信息现代化、办公无纸化和决策数据化。当前，给水系统信息化技术包括地理信息系统（GIS），控制检测系统(SCADA)。GIS通常为静态数据模式，储存系统中各种设施（包括水源，泵站，水厂设施，管道，阀门，水表，用户）的地理信息，以地图方式储存和表达，亦称为电子地图；而SCADA通常为随时间变化的动态数据模式，以无线或有线通讯方式收集系统中运行数据（ 包括水量、水质、水压、运行状态等），以数据表格和动态曲线等方式表达，为管理和运行决策提供分析依据。
　　2．输配水系统模拟计算－管网模型软件
　　给水管网系统建设投资占给水系统总投资的70％以上，供水电费亦多在总供水成本费用的50－60％，所以，给水管网的设计与运行管理质量直接影响供水系统的经济效益。管网模型软件对给水管网建立数学模型，并进行规划设计计算和运行状态的动态模拟，求解管网中各管段及泵站的流量、压力和水质分布状态，并可计算长年供水成本费用，分析评价管网规划设计的合理程度及运行规律，实现设计和运行管理的科学化。国内通常称为“管网建模”。
　　“管网建模”软件应具有以下功能：
　　（1） 网水力平差计算；
　　（2） 管网规划设计计算和多工况状态模拟；
　　（3） 管网动态实时模拟和供水费用计算；
　　（4） 平差计算和规划设计计算成果图形表达和绘图；
　　（5） 良好的计算数据输入、输出、模拟计算和成果表达人机交互界面;
　　（6） 与数据库灵活交互连接接口。
　　3．管网优化设计与优化调度软件
　　1）优化调度模型
　　给水管网优化调度是在管网和水源现有设备的前提下，根据管网监测系统反馈的供水系统运行信息，在保证安全、可靠满足供水需求的前提下，合理地调整调度方案，使供水系统的总运行费用最小就是优化调度的目的。考虑到供水过程中，主要费用是供水电耗和制水成本，因此优化目标函数数学表达式为：

　　
　　式中，f 系统供水费用；
　　　　　e_k 第k小时电价，单位：元/kw.h；
　　　　　Q_ki 第i个泵站第k小时的供水量，单位：m³/s；
　　　　　H_ki 第i个泵站第k小时净扬程，单位：m；
　　　　　c_ik 第i个水厂第k小时的单位制水成本，单位：元/m^3；η_ki 第i个泵站第k小时的工作效率；
　　　　　γ 水比重，单位：9.8千牛顿/m^3；p 泵站数；
　　　　　n_i 第i个泵站的水泵数目。

　　2）约束条件：
　　（1）管网总供水量等于总用水量：

　　　　Q_T: 预测总用水量；
　　　　Q_I：第i号泵站供水量。
　　（2） 测压点压力约束：满足各节点压力要求。
　　4、给水管网水质模拟软件
　　给水管网水质模拟是计算跟踪管网水中溶解物质的传输与各时间内流经路线和分布。水质模型可分为稳态模型和准动态模型二种。
　　1）稳态模型
　　假定管网处于水力稳定状态，在一定的运行负荷下，物质沿着流动路径和时间运行，达到水质稳定。数学模型为：

　　

　　

　　管段浓度方程： C_u,ji＝C_j ， C_l,ji=C_u,ji ， C_l,ji=C_u,jie^-KT
　　式中，j,k:分别表示节点j的上游和下游邻接点；q_ji，q_ik：管段流量；
　　 Q_s，C_s:水源供水量及进水浓度；C_u,ji:管段＜j, i>起端浓度；
　　C_l,ji:管段＜j, i>末端浓度；K：管段＜j,i>中物质反应速率常数；
　　K：管段＜j,i>中的流径时间。
　　保守物质沿管线流动过程中，浓度不发生变化，末端浓度等于起端浓度。非保守物质在流动过程中同时发生着反应，以一级反应为例，反应动力学方程为：
　　dC/dt=-KC
　　物质沿管段流动过程中发生衰减，以不同于管段起端的浓度进入下游节点。
　　水源供水比例数学模型为：

　　

　　P_s,ji=P_s,j

　　
　　式中，j:节点I的上游邻接点；P_s,i,P_s,ji：水源S对节点i和管段＜j,i>的供水比例；
　　　　　 q_ji:管段<j,i>流量； Q_s：水源供水量。
　　2）准动态模型
　　准动态模型的计算结果要比稳态模型的可信度高，因此，在实际工程中，大部分采用准动态模型。
　　5、供水管理与控制网络软件
　　应用计算机实现现代化科学管理是供水企业科技进步的发展方向，是实现企业管理现代化、高速信息通讯网络化和运行操作优化与自动化的重要途径。应用上述专业软件和计算机网络技术，通过程序逻辑控制（PLC）技术与设备，可以实现企业生产过程全自动化和优化控制。发达国家的供水企业已基本实现了这样的全面技术。作为发展中国家的企业，需要根据企业自身的需求和技术经济基础制定规划，至少利用5年左右的时间，积累经验，避免浪费，逐步实现上述目标。

三、供水系统国产专业软件发展和应用

　　城市供水系统软件开发已经经历了近30年的历史，从给水管网平差计算到给水系统信息化、运行与管理自动化，形成了多种类型、多种版本、各具特色的软件系列。国内外软件市场规模不断扩大，需求日益增长。SynerGEE(Stoner)、EPANET、8M等国外品牌软件在国内已得到了一定的应用市场，具有管网平差、运行模拟、信息管理、运行管理等方面的较完整功能。
　　同济大学作为给水排水领域中计算机应用研究的最早的著名大学之一，著名给水排水专家杨钦教授早在1970年代就编写了“749”、“7512”、“767”、“784”等一系列管网平差计算和优化设计程序，开辟了国内给水排水领域中计算机应用的先河。经过二十多年的不懈努力，积累了丰富的经验和先进的成果。在此基础上，我们采用了当前最先进的计算机技术，开发了供水管网模拟计算软件，在易用性、计算速度等方面均有较大突破，具有给水管网设计计算、工程规划、设计绘图、信息查询和数据库管理等功能。同时，在国内大学中成立了首家由国内专家合作兴办的给水软件开发公司—上海同济宏扬软件有限公司，以高校高科技科研成果产业化为目标，以软件国产化和本地化为优势，最大程度地适应和服务国内给水软件应用市场。
　　“同济宏扬软件”的管网系统模拟与优化调度软件包以数据库为数据核心，以管网地理信息、管网平差、规划设计、实时运行模拟和优化调度为四个分离的功能软件，实行分阶段实施的计算机技术应用。四个功能软件的构成如上列框图所示。

图示：“宏扬软件”的四个独立功能块软件包

参考文献

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　　2. 刘遂庆、陶建科，给水系统计算机控制与优化调度软件硬件模式，98‘全国给水管网技术研讨会论文集，1998.11
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